1、材料性能學(xué)第三章第三章 金屬在沖擊載荷金屬在沖擊載荷下的力學(xué)性能下的力學(xué)性能材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum主要內(nèi)容主要內(nèi)容低溫脆性低溫脆性影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素沖擊彎曲和沖擊韌性沖擊彎曲和沖擊韌性沖擊載荷下金屬變形和斷裂特點(diǎn)沖擊載荷下金屬變形和斷裂特點(diǎn)材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum建造中的建造中的Titanic 號(hào)號(hào)沉沒原因：沉沒原因： 船

2、體材料差船體材料差 低溫環(huán)境低溫環(huán)境 沖擊載荷沖擊載荷TITANICTITANIC與沖擊載荷與沖擊載荷材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of PetroleumTitanic 號(hào)鋼板和近代船用鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板Titanic 含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum材料性能學(xué)材料性能

3、學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum3.1 3.1 沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn)沖擊載荷下金屬變形和斷裂的特點(diǎn)l沖擊載荷與靜載荷比較：沖擊載荷與靜載荷比較：均為彈性變形、塑性變形、斷裂。均為彈性變形、塑性變形、斷裂。加載速率不同加載速率不同 應(yīng)變速率應(yīng)變速率dtde10-410-2 靜載荷處理靜載荷處理10-2 考慮應(yīng)變速率影響考慮應(yīng)變速率影響脆性增大脆性增大材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml

4、 沖擊力測(cè)不準(zhǔn)沖擊力測(cè)不準(zhǔn)! !n假定沖擊能假定沖擊能彈性能，能量守恒彈性能，能量守恒l 應(yīng)變速率對(duì)材料的彈性行為及應(yīng)變速率對(duì)材料的彈性行為及E E無影響無影響n4982m/s 54982m/s 55.5m/s 5.5m/s l 沖擊載荷下塑性變形難以充分進(jìn)行且極不均勻沖擊載荷下塑性變形難以充分進(jìn)行且極不均勻n應(yīng)變速率硬化應(yīng)變速率硬化ns s、b b升高升高材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China

5、 University of Petroleum3.2 3.2 沖擊彎曲和沖擊韌性沖擊彎曲和沖擊韌性l 一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn) (GB/T 229-1994)(GB/T 229-1994)l 加載速率加載速率+ +缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum沖擊韌性：沖擊韌性：沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。l 沖擊吸收功（沖擊吸收功（A Ak k）：擺錘沖斷試樣所失去的能量，：擺錘沖斷試樣所失去的能量，單位為單位為J J

6、。l 沖擊韌度（沖擊韌度（a ak k）：?jiǎn)挝粸椋簡(jiǎn)挝粸镴/cmJ/cm2 2 l 韌性與溫度有關(guān)韌性與溫度有關(guān)脆性轉(zhuǎn)變溫度脆性轉(zhuǎn)變溫度T TK Kl A Ak k或或a ak k越大，韌性越好越大，韌性越好材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum試樣尺寸：試樣尺寸： 101055mm；l無缺口無缺口lU缺口：缺口：Aku或或akulV缺口：缺口：Akv或或akv材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Pe

7、troleumn技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：n沖擊能量：沖擊能量：300J、150J/500J、250Jn擺錘預(yù)揚(yáng)角：擺錘預(yù)揚(yáng)角：150n沖擊速度：沖擊速度：5.2m/s5.4m/sn試樣支座跨距：試樣支座跨距：40mmn鉗口圓角：鉗口圓角：R1-1.5mmn試樣規(guī)格：試樣規(guī)格：551010mmJB-300/500W微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)微機(jī)控制沖擊試驗(yàn)機(jī)材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum3.3 3.3 低溫脆性低溫脆性nBCC（HCP）（）（F+P鋼）鋼）n溫度下降時(shí)溫度下降時(shí)tk：材料狀態(tài)：韌

8、性狀態(tài)材料狀態(tài)：韌性狀態(tài)脆性狀態(tài)脆性狀態(tài)斷裂機(jī)理：微孔聚集斷裂機(jī)理：微孔聚集穿晶解理穿晶解理斷口特征：纖維狀斷口特征：纖維狀結(jié)晶狀結(jié)晶狀一、低溫脆性現(xiàn)象材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleumn材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嗖牧嫌身g性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度，性狀態(tài)的溫度，t tk kn出現(xiàn)的原因：出現(xiàn)的原因：t（溫度）（溫度）s急劇增加急劇增加c基本不變基本不

9、變l 韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度21 dkyis 摩擦阻力摩擦阻力晶格阻力晶格阻力位錯(cuò)阻力位錯(cuò)阻力晶格阻力對(duì)溫度敏感，晶格阻力對(duì)溫度敏感，且且bcc和和hcpfcc212aEsc與溫度基本無關(guān)與溫度基本無關(guān)Ttk時(shí)時(shí):當(dāng)當(dāng)sc，韌斷，韌斷Tc，脆斷，脆斷材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度l 系列系列(溫度溫度)沖擊彎曲試驗(yàn)沖擊彎曲試驗(yàn)沖擊吸收功沖擊吸收功- -溫度曲線溫度曲線斷口形貌中各區(qū)所占面積斷口形貌中各區(qū)所占面積和溫度曲線和溫度曲線塑性變形量塑性變形量與溫度曲線與溫

10、度曲線求得求得tk1. 按能量定義tk的方法n(1) (1) 下平臺(tái)，下平臺(tái)， “ “低階能低階能”。NDTNDT: : 100100結(jié)晶斷口結(jié)晶斷口n(2) (2) 上平臺(tái)，上平臺(tái)， “ “高階能高階能”。 FTPFTP：100100纖維區(qū)纖維區(qū)n(3) (3) 以低階能和高階能平以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義均值對(duì)應(yīng)的溫度定義t tk k，記，記為為FTEFTE材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum2. 按斷口形貌定義tk的方法n溫度下降，材料由韌變脆溫度下降，材料由韌變脆n取結(jié)

11、晶區(qū)占整個(gè)斷口面積取結(jié)晶區(qū)占整個(gè)斷口面積50%50%時(shí)的溫度為時(shí)的溫度為t tk k，記為，記為50%FATT(Fractrue 50%FATT(Fractrue Appearance Transition Appearance Transition Temperature)Temperature)或或FATTFATT5050、t t5050材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum3. 韌脆轉(zhuǎn)變溫度儲(chǔ)備n韌性指標(biāo)韌性指標(biāo)n安全性指標(biāo)安全性指標(biāo)ntk可用于抗脆斷設(shè)計(jì)、保證機(jī)件服役安全，但不能直

12、接用可用于抗脆斷設(shè)計(jì)、保證機(jī)件服役安全，但不能直接用來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)件的承載能力或截面尺寸。來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)件的承載能力或截面尺寸。n韌脆轉(zhuǎn)變溫度儲(chǔ)備韌脆轉(zhuǎn)變溫度儲(chǔ)備 tt0-tk t取值：取值： 20 60 材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum三、落錘試驗(yàn)（DWTT）n50年代初，派林尼（年代初，派林尼（W. S. Pellini）等人提出）等人提出n用于測(cè)定全厚鋼板的用于測(cè)定全厚鋼板的NDTn組成：組成：垂直導(dǎo)軌、垂直導(dǎo)軌、重錘和砧座組成重錘和砧座組成n25mm，50HRCn3401650J

13、25mm90mm350mm19mm50mm125mmAPI RP 5L3GB/T8363-1987材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 溫度下降溫度下降n不裂；不裂；n拉伸表面部分形成裂紋，但未發(fā)展拉伸表面部分形成裂紋，但未發(fā)展到邊緣；到邊緣；n拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊；側(cè)邊；n試樣斷成兩部分試樣斷成兩部分nNDTNDT確定：取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到確定：取拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度。一側(cè)邊或兩側(cè)邊的最高溫度。材料性能學(xué)材料性能學(xué)

14、Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleumn零塑性轉(zhuǎn)變溫度零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT已成為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆已成為低強(qiáng)度鋼構(gòu)件防止脆性斷裂設(shè)計(jì)根據(jù)的一部分性斷裂設(shè)計(jì)根據(jù)的一部分材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum落錘試驗(yàn)的缺點(diǎn)：落錘試驗(yàn)的缺點(diǎn)：未考慮板厚的影響未考慮板厚的影響不能定量評(píng)定脆性斷裂不能定量評(píng)定脆性斷裂四、斷裂分析圖（FAD）300ct20040025NDTB彈性塑性33NDT 76NDTACFTEF

15、TPA區(qū)可能發(fā)生脆斷區(qū)可能發(fā)生脆斷區(qū)可能發(fā)生韌斷區(qū)可能發(fā)生韌斷區(qū)不斷裂，一直穩(wěn)定區(qū)不斷裂，一直穩(wěn)定&提示：提示：A ABCBC表示不同應(yīng)力水平下脆性裂紋擴(kuò)展的終止溫表示不同應(yīng)力水平下脆性裂紋擴(kuò)展的終止溫度度裂紋終止線（裂紋終止線（CATCAT）應(yīng)力、溫度、缺陷s材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum3.4 3.4 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素一、晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)nBCC及合金存在低溫脆性及合金存在低溫脆性材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Mat

16、erials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum二、化學(xué)成分二、化學(xué)成分C%0.1%C%0.1%t tk k升高升高13.913.9材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum間隙原子顯著提高材料的間隙原子顯著提高材料的tk置換原子只有置換原子只有Ni、Mn降低降低tk Mn/C3S、P、As等偏聚于晶界，降低材料韌性等偏聚于晶界，降低材料韌性材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China Unive

17、rsity of Petroleum 三、晶粒大小三、晶粒大小n細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒韌性增加韌性增加n(1) 晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力；晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力；n(2) 晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中；n(3) 晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了沿晶脆性斷裂晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了沿晶脆性斷裂材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleuml 第二相性質(zhì)、形態(tài)、尺寸、大小、分布有顯著影響第二相性質(zhì)、形態(tài)、尺寸、大小、分布有顯著影響l 脆化溫度由高到低的依次順序?yàn)椋褐楣怏w，上貝氏體，脆化溫度由高到低的依次順序?yàn)椋褐楣怏w，上貝氏體，鐵素體，下貝氏體和回火馬氏體。鐵素體，下貝氏體和回火馬氏體。 n 外部因素影響：試樣尺寸和形狀、加載速率等外部因素影響：試樣尺寸和形狀、加載速率等四、金相組織四、金相組織材料性能學(xué)材料性能學(xué)Property of Materials中國(guó)石油大學(xué)中國(guó)石油大學(xué)China University of Petroleum本章小結(jié)本章小結(jié)l 缺口沖擊彎曲試驗(yàn)缺口沖擊彎曲試驗(yàn)